WO2011003555A1 - Tastschalter mit kapazitiver tastenerkennung - Google Patents

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WO2011003555A1
WO2011003555A1 PCT/EP2010/004016 EP2010004016W WO2011003555A1 WO 2011003555 A1 WO2011003555 A1 WO 2011003555A1 EP 2010004016 W EP2010004016 W EP 2010004016W WO 2011003555 A1 WO2011003555 A1 WO 2011003555A1
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Wulf Reise
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    • H03K2217/960755—Constructional details of capacitive touch and proximity switches

Definitions

  • the invention relates to a key switch, in which both an actuation of the key and a touch of the key is detected.
  • Such key switches are used for example in telephone keyboards or control panels with multiple buttons.
  • a push-button switch with a pressure switching function for detecting a key operation and a capacitive sensor function for detecting a key touch on at least partially electrically conductive button and a circuit board having at least one electrical contact by depressing the key via a between the Button and the printed circuit board arranged switching mat is activated.
  • the circuit board also has at least one capacitive sensor surface spaced apart from the key, with capacitive coupling between the key and the sensor surface. According to the invention, therefore, the sensor surface is arranged directly on the circuit board, so that the contact of the button for signal evaluation can be omitted.
  • the capacitive coupling between the capacitive sensor surface and the contact surface of the key can already be achieved alone in that the key is at least partially electrically conductive is trained. A capacitance change by the touch of the button can thus be detected by the capacitive sensor surface.
  • the entire electrical contact and the connection to the transmitter can be done in this case completely on the PCB.
  • a connection between the button and the circuit board by means of sliding contacts or cables can be omitted.
  • the key body itself is preferably made of a plastic in the present case.
  • the button is preferably provided with a conductive coating.
  • the key may be chromed or coated with another metal, e.g. in a galvanic process.
  • the coating is preferably provided on at least one touch surface of the key to achieve a sufficient capacitive effect when a user touches the key.
  • it is advantageous to make the button completely electrically conductive either by the complete coating with an electrically conductive coating or by making the entire button from a per se electrically conductive plastic.
  • the conductive coating extends at least up to one
  • the switching mat is designed to be electrically conductive on its upper side and / or on its lower side in order to reinforce the capacitive coupling.
  • This can be achieved for example by a conductive coating.
  • the electrically conductive connection between the contact surface of the button and the capacitive sensor surface is interrupted only by the thickness of the material of the switching mat and the distance of the switching mat from the sensor surface. From the top of the switching mat to the bottom so there is preferably no electrically conductive connection, but only a capacitive coupling. It has been shown that in this way a very good capacitive coupling between the capacitive sensor surface and the touch surface of the key can be achieved.
  • the safety mat can be closed, so they do not
  • the switching mat has openings on its surface.
  • the switching mat also causes protection of the underlying elements from environmental influences, such as moisture, mechanical damage or electrostatic discharges.
  • a snap-action disc which in the exercise of the pressure switching function an electric
  • Push-button with a safety mat is known.
  • the contact arrangement on the circuit board may for example be selected so that the electrical contact of the pressure switching function is surrounded by the capacitive sensor surface.
  • the two contacts are electrically isolated from each other to obtain a clear separation of the triggering signal.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a pushbutton switch according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically the contact arrangement of the key switch of Figure 1 in a plan view.
  • FIG. 1 shows schematically the contact arrangement of the key switch of Figure 1 in a plan view.
  • FIG. 1 shows a push-button switch 10, which may for example be part of a keyboard with a plurality of identical or different pushbutton switches.
  • the key switch 10 may also be used in a control panel with one or more keys, for example in a telephone or in a control panel in a vehicle instrument panel.
  • a push-button switch 10 may for example be part of a keyboard with a plurality of identical or different pushbutton switches.
  • the key switch 10 may also be used in a control panel with one or more keys, for example in a telephone or in a control panel in a vehicle instrument panel.
  • other applications are also conceivable.
  • the key switch 10 has a key 12, which consists in this example of an integrally formed, made of a plastic keycap.
  • the button 12 has at its top a touch pad 14 on which a user operates the button 12 with a finger, either to only touch the button 12 or to depress the button 12 in the z direction for actuation.
  • a printed circuit board 16 which has an electrical contact 18 centrally below the button 12, and the button 12 in the z direction opposite a capacitive sensor surface 20 concentrically surrounding the electrical contact 18, as shown in FIG 2 is shown.
  • a switching mat 22 is arranged, which extends over the printed circuit board 16 as a closed surface, wherein preferably for all keys 12 in the keyboard or in the control panel, a single, flat continuous switching mat 22 is provided.
  • the switching mat 22 has a switching dome 24, which is geometrically adapted to the shape of the underside of the key 12 such that the key 12 on the switching dome 24 is securely latched.
  • the exact design can be adopted by any known safety mats.
  • a snap-action disc 26 is arranged so that its curvature points away from the electrical contact 18.
  • the snap-action disc 26 is designed and arranged such that its center lies above the electrical contact 18, while its edge region 28 is arranged above the capacitive sensor surface 20. Its center is spaced from the electrical contact 18.
  • the button 12 is designed electrically conductive. In the example shown, it is completely covered with a metallic coating 30, for example a chromium layer.
  • the switching mat 22 is provided with an electrically conductive coating 31 both on its upper side and on its underside.
  • the coating in the region of the underside of the switching mat 22 is also arranged on the capacitive sensor surface 20 on the circuit board 16, as can be seen in Figure 1. In this way, a capacitive coupling between the contact surface 14 and the capacitive sensor surface 20 is achieved, by means of which by touching the capacitance or the potential on the capacitive sensor surface 20, a touch of the key 12 can be detected.
  • This detection is performed by an evaluation, not shown.
  • This transmitter can be designed so that it also detects and evaluates a conventional key operation by pressing in the z direction via the pressure switching function.
  • the pressure switching function the user depresses the button 12, for example, by pressure on the contact surface 14 in the z direction, so that the switching dome 24 presses on the center of the snap disc 26 and this bends in the z direction, so that the central region of the snap disc 26th touched the electrical contact 18.
  • the edge region 28 is pressed onto the capacitive sensor surface 20, so that a current flow between the capacitive sensor surface 20 and the electrical contact 18 is made possible.
  • the closing of this circuit is detected by the transmitter and interpreted as a key press.
  • the electrical contact 18 is contacted by the printed circuit board with a conductor 32 on the underside of the circuit board 16, as shown in Figure 2.
  • Both the electrical contact 18 and the capacitive sensor surface 20 may be formed by copper surfaces on the circuit board 16, but it is also possible to provide a gold coating at this point in order to prevent corrosion.

Landscapes

  • Push-Button Switches (AREA)
  • Switches That Are Operated By Magnetic Or Electric Fields (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Ein Tastschalter weist eine Druck-Schaltfunktion zur Erkennung einer Tastenbetätigung und eine kapazitive Sensorfunktion zur Erkennung einer Tastenberührung auf. Er hat eine wenigstens abschnittsweise elektrisch leitfähige Taste (12) und eine Leiterplatte (16), die wenigstens einen elektrischen Kontakt (18) aufweist, der durch Herunterdrücken der Taste (12) über eine zwischen der Taste (12) und der Leiterplatte (16) angeordneten Schaltmatte (22) aktiviert wird. Die Leiterplatte (16) hat auch wenigstens eine der Taste (12) mit Abstand gegenüberliegende kapazitive Sensorfläche (20), wobei eine kapazitive Kopplung zwischen der Taste (12) und der Sensorfläche (20) besteht.

Description

Tastschalter mit kapazitiver Tastenerkennung
Die Erfindung betrifft einen Tastschalter, bei dem sowohl eine Betätigung der Taste als auch eine Berührung der Taste erfasst wird.
Derartige Tastschalter werden beispielsweise in Telefon-Tastaturen oder Bedienfeldern mit mehreren Tasten eingesetzt.
Es sind Tastschalter bekannt, die eine elastische Schaltmatte aufweisen, die auf einen darunterliegenden Kontakt auf einer Leiterplatte einwirkt und so auf mechanische Weise einen Schaltkreis schließt, wenn die Taste betätigt wird. Die Berührungserkennung der Taste kann hingegen kapazitiv erfolgen, wobei beispielsweise eine Sensorfläche an der Innenseite der Tastenkappe angebracht ist, welche über Schleifkontakte oder Leitungen mit einer Auswerteelektronik verbunden ist. Dabei ist nachteilig, dass die Sensorfläche der Bewegung der Taste folgen muss und die elektrischen Verbindungen prozesstechnisch sehr aufwendig und zudem fehleranfällig sind. Aufgabe der Erfindung ist es, einen eingangs genannten Tastschalter zu vereinfachen und dessen kostengünstigere Fertigung zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck weist ein Tastschalter mit einer Druck-Schaltfunktion zur Erkennung einer Tastenbetätigung und einer kapazitiven Sensorfunktion zur Erkennung einer Tastenberührung eine wenigstens abschnittsweise elektrisch leitfähige Taste auf und eine Leiterplatte, die wenigstens einen elektrischen Kontakt aufweist, der durch Herunterdrücken der Taste über eine zwischen der Taste und der Leiterplatte angeordnete Schaltmatte aktiviert wird. Die Leiterplatte weist außerdem wenigstens eine der Taste mit Abstand gegenüberliegende kapazitive Sensorfläche auf, wobei eine kapazitive Kopplung zwischen der Taste und der Sensorfläche besteht. Erfindungsgemäß ist also die Sensorfläche direkt auf der Leiterplatte angeordnet, sodass die Kontaktierung der Taste zur Signalauswertung entfallen kann. Die kapazitive Kopplung zwischen der kapazitiven Sensorfläche und der Berührfläche der Taste lässt sich bereits alleine dadurch erreichen, dass die Taste wenigstens abschnittsweise elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Eine Kapazitätsänderung durch die Berührung der Taste kann damit von der kapazitiven Sensorfläche erfasst werden.
Die gesamte elektrische Kontaktierung sowie die Verbindung mit der Auswerteelektronik kann in diesem Fall vollständig über die Leiterplatte erfolgen. Eine Verbindung zwischen der Taste und der Leiterplatte mittels Schleifkontakten oder Kabeln kann entfallen.
Der Tastenkörper selbst besteht im vorliegenden Fall bevorzugt aus einem Kunststoff. Um die Taste leitfähig zu gestalten, wird die Taste vorzugsweise mit einer leitfähigen Beschichtung versehen. Beispielsweise kann die Taste verchromt oder mit einem anderen Metall überzogen sein, z.B. in einem galvanischen Verfahren. Es ist natürlich auch möglich, die Taste wenigstens abschnittsweise aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff zu fertigen, in den beispielsweise Kohlenstoffpartikel eingelagert sind.
Die Beschichtung ist vorzugsweise wenigstens an einer Berührfläche der Taste vorgesehen, um einen ausreichenden kapazitiven Effekt zu erzielen, wenn ein Benutzer die Taste berührt. Es ist jedoch vorteilhaft, die Taste vollständig elektrisch leitfähig zu machen, entweder durch das vollständige Überziehen mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung oder durch das Fertigen der gesamten Taste aus einem an sich elektrisch leitfähigen Kunststoff. Bevorzugt erstreckt sich die leitfähige Beschichtung zumindest bis zu einem
Bereich an der Unterseite der Taste, der in Kontakt mit der Schaltmatte ist.
Vorteilhaft ist die Schaltmatte auf ihrer Oberseite und/oder auf ihrer Unterseite elektrisch leitfähig ausgebildet, um die kapazitive Kopplung zu verstärken. Dies lässt sich beispielsweise durch eine leitfähige Lackierung erreichen. Insbesondere in Kombination mit einer leitfähigen Beschichtung der gesamten Taste ist dann die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Berührfläche der Taste und der kapazitiven Sensorfläche lediglich durch die Dicke des Materials der Schaltmatte und den Abstand der Schaltmatte von der Sensorfläche unterbrochen. Von der Oberseite der Schaltmatte zu deren Unterseite besteht also vorzugsweise keine elektrisch leitende Verbindung, sondern nur eine kapazitive Kopplung. Es hat sich gezeigt, dass sich auf diese Weise eine sehr gute kapazitive Kopplung zwischen der kapazitiven Sensorfläche und der Berührfläche der Taste erreichen lässt.
Die Schaltmatte kann geschlossen ausgebildet sein, sodass sie keine
Öffnungen auf ihrer Fläche aufweist. Hierdurch bewirkt die Schaltmatte auch einen Schutz der darunterliegenden Elemente vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit, mechanischen Beschädigungen oder elektrostatischen Entladungen.
Zwischen der Leiterplatte und der Schaltmatte und über dem elektrischen
Kontakt ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Schnappscheibe angeordnet, die bei der Ausübung der Druck-Schaltfunktion einen elektrischen
Schaltkreis schließt, so wie dies von einer herkömmlichen Konstruktion eines
Tastschalters mit einer Schaltmatte bekannt ist.
Anstatt einer Schnappscheibe kann auch eine bekannte Mäander/Kontaktpillen-Kombination zur Verwirklichung der Druck-Schaltfunktion vorgesehen sein.
Die Kontaktanordnung auf der Leiterplatte kann beispielsweise so gewählt sein, dass der elektrische Kontakt der Druck-Schaltfunktion von der kapazitiven Sensorfläche umgeben ist. Die beiden Kontakte sind elektrisch voneinander isoliert, um eine klare Trennung des auslösenden Signals zu erhalten. Es ist jedoch möglich, die Schnappscheibe auf dem gleichen Potenzial wie die Sensorfläche zu halten und eine Auswerteelektronik vorzusehen, die die bei Berührung oder Betätigung der Taste entstehenden Potenzialunterschiede unterscheiden und die Art der Betätigung bestimmen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Tastschalters, und
- Figur 2 schematisch die Kontaktanordnung des Tastschalters aus Figur 1 in einer Draufsicht. - A -
Die Figur 1 zeigt einen Tastschalter 10, der beispielsweise Teil einer Tastatur mit mehreren gleichartigen oder unterschiedlichen Tastschaltern sein kann. Der Tastschalter 10 kann auch in einem Bedienfeld mit einer oder mehreren Tasten eingesetzt werden, beispielsweise in einem Telefon oder in einem Bedienfeld in einer Fahrzeuginstrumententafel. Andere Anwendungen sind natürlich ebenfalls denkbar.
Der Tastschalter 10 weist eine Taste 12 auf, die in diesem Beispiel aus einer einstückig ausgebildeten, aus einem Kunststoff bestehenden Tastenkappe besteht. Die Taste 12 hat an ihrer Oberseite eine Berührfläche 14, an der ein Benutzer die Taste 12 mit einem Finger bedient, entweder um die Taste 12 nur zu berühren oder um die Taste 12 in z-Richtung zur Betätigung herunterzudrücken.
In z-Richtung unterhalb der Taste 12 liegt eine Leiterplatte 16, die mittig unter der Taste 12 einen elektrischen Kontakt 18 aufweist, und der Taste 12 in z- Richtung gegenüberliegend eine kapazitive Sensorfläche 20, die den elektrischen Kontakt 18 konzentrisch umgibt, wie in Figur 2 dargestellt ist.
Zwischen der Leiterplatte 16 und der Taste 12 ist eine Schaltmatte 22 angeordnet, die sich als geschlossene Fläche über die Leiterplatte 16 erstreckt, wobei vorzugsweise für sämtliche Tasten 12 in der Tastatur oder im Bedienfeld eine einzige, flächig durchgängige Schaltmatte 22 vorgesehen ist. Im Bereich der Taste 12 weist die Schaltmatte 22 einen Schaltdom 24 auf, der geometrisch so an die Form der Unterseite der Taste 12 angepasst ist, dass die Taste 12 auf dem Schaltdom 24 sicher verrastet ist. Die genaue Gestaltung kann von beliebigen bekannten Schaltmatten übernommen werden. Zwischen der Schaltmatte 22, genauer gesagt zwischen dem Schaltdom 24, und der Leiterplatte 16 bzw. dem elektrischen Kontakt 18 ist eine Schnappscheibe 26 so angeordnet, dass ihre Wölbung vom elektrischen Kontakt 18 weg zeigt. Die Schnappscheibe 26 ist so ausgebildet und angeordnet, dass ihr Mittelpunkt über dem elektrischen Kontakt 18 liegt, während ihr Randbereich 28 über der kapazitiven Sensorfläche 20 angeordnet ist. Ihr Mittelpunkt ist vom elektrischen Kontakt 18 beabstandet. Die Taste 12 ist elektrisch leitfähig gestaltet. Im gezeigten Beispiel ist sie vollständig mit einer metallischen Beschichtung 30, beispielsweise einer Chromschicht, überzogen.
Im Bereich der Taste 12 ist die Schaltmatte 22 sowohl an ihrer Oberseite als auch an ihrer Unterseite mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung 31 versehen. Es besteht also eine durchgehende elektrisch leitfähige Verbindung von der Berührfläche 14 der Taste 12 zur leitfähigen Beschichtung 31 der Oberseite der Schaltmatte 22 (in der Zeichnung sind die Taste 12 und die Schaltmatte 22 aus Gründen der Darstellung mit Abstand dargestellt). Die Beschichtung im Bereich der Unterseite der Schaltmatte 22 ist auch über der kapazitiven Sensorfläche 20 auf der Leiterplatte 16 angeordnet, wie in Figur 1 zu erkennen ist. Auf diese Weise wird eine kapazitive Kopplung zwischen der Berührfläche 14 und der kapazitiven Sensorfläche 20 erreicht, mittels derer durch Änderung der Kapazität bzw. des Potenzials an der kapazitiven Sensorfläche 20 eine Berührung der Taste 12 erkannt werden kann. Diese Erkennung wird von einer nicht gezeigten Auswerteelektronik vorgenommen. Diese Auswerteelektronik kann so ausgelegt sein, dass sie auch gleichzeitig eine konventionelle Tastenbetätigung durch Drücken in z-Richtung über die Druck- Schaltfunktion erkennt und auswertet. Für die Druck-Schaltfunktion drückt der Benutzer die Taste 12 beispielsweise durch Druck auf die Berührfläche 14 in z-Richtung herunter, sodass der Schaltdom 24 auf den Mittelpunkt der Schnappscheibe 26 drückt und diese in z- Richtung durchbiegt, sodass der mittlere Bereich der Schnappscheibe 26 den elektrischen Kontakt 18 berührt. Gleichzeitig wird der Randbereich 28 auf die kapazitive Sensorfläche 20 gedrückt, sodass ein Stromfluss zwischen der kapazitiven Sensorfläche 20 und dem elektrischen Kontakt 18 ermöglicht ist. Das Schließen dieses Schaltkreises wird von der Auswerteelektronik detektiert und als Tastenbetätigung interpretiert. Der elektrische Kontakt 18 ist durch die Leiterplatte hindurch mit einer Leiterbahn 32 auf der Unterseite der Leiterplatte 16 kontaktiert, wie in Figur 2 dargestellt ist. Der Anschluss der kapazitiven Sensorfläche 20 erfolgt hingegen über eine Leiterbahn 34 auf der Oberseite der Leiterplatte 16. Sowohl der elektrische Kontakt 18 als auch die kapazitive Sensorfläche 20 können durch Kupferflächen auf der Leiterplatte 16 gebildet sein, es ist aber auch möglich, an dieser Stelle eine Goldbeschichtung vorzusehen, um einer Korrosion vorzubeugen. Es ist möglich, die Taste 12 nur abschnittsweise leitfähig auszubilden, wobei vorzugsweise eine Leitfähigkeit im Bereich der Berührfläche 14 vorgesehen ist. Vorteilhaft ist auch eine Leitfähigkeit an der Unterseite der Taste 12. Die Leitfähigkeit kann durch Vorsehen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, beispielsweise eine Verchromung oder Beschichtung mit einem anderen Metall, erreicht werden, aber auch dadurch, dass die Taste ganz oder teilweise aus einem an sich elektrisch leitfähigen Kunststoff besteht.

Claims

Patentansprüche
1. Tastschalter mit
einer Druck-Schaltfunktion zur Erkennung einer Tastenbetätigung und einer kapazitiven Sensorfunktion zur Erkennung einer Tastenberührung, mit einer wenigstens abschnittsweise elektrisch leitfähigen Taste (12) und einer Leiterplatte (16), die wenigstens einen elektrischen Kontakt (18) aufweist, der durch Herunterdrücken der Taste (12) über eine zwischen der Taste (12) und der Leiterplatte (16) angeordneten Schaltmatte (22) aktiviert wird,
und die wenigstens eine der Taste (12) mit Abstand gegenüberliegende kapazitive Sensorfläche (20) aufweist, wobei eine kapazitive Kopplung zwischen der Taste (12) und der Sensorfläche (20) besteht.
2. Tastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Taste (12) mit einer leitfähigen Beschichtung (30) versehen ist.
3. Tastschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) an einer Berührfläche (14) der Taste (12) vorgesehen ist.
4. Tastschalter nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die leitfähige Beschichtung (30) bis zu einem Bereich an der Unterseite der Taste (12) erstreckt, der in Kontakt mit der Schaltmatte (22) ist.
5. Tastschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmatte (22) auf ihrer Oberseite und/oder auf ihrer Unterseite elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
6. Tastschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass keine elektrisch leitende Verbindung von der Oberseite der Schaltmatte (22) zur Unterseite der Schaltmatte (22) besteht.
7. Tastschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmatte (22) geschlossen ausgebildet ist.
8. Tastschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über dem elektrischen Kontakt (18) zwischen der Leiterplatte (16) und der Schaltmatte (22) eine Schnappscheibe (26) angeordnet ist, die bei der Ausübung der Druck-Schaltfunktion einen elektrischen Schaltkreis schließt.
9. Tastschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt (18) von der kapazitiven Sensorfläche (20) umgeben ist.
PCT/EP2010/004016 2009-07-10 2010-07-02 Tastschalter mit kapazitiver tastenerkennung WO2011003555A1 (de)

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DE102009032634A DE102009032634A1 (de) 2009-07-10 2009-07-10 Tastschalter mit kapazitiver Tastenerkennung
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